透明木基复合材料的制备及性能调控

发布时间：2020-04-02 02:35

【摘要】：木材是当今世界四大材料(钢材、水泥、木材、塑料)中唯一可再生、可循环利用和可自然降解的材料。然而,不透明、不耐水和力学性能差等缺点制约了木材的使用范围。为了充分利用储量丰富的木材资源,并探索木材纤维素资源的高附加值利用的新方法,本研究利用纳米复合技术,通过去除木材中的吸光物质或提取木材中的纳米纤维素,并用透明树脂填充空隙,得到了透明、耐水且力学性能优良的透明木基复合材料。本文主要研究内容包括木材-透明树脂复合材料的制备和光学性能调控、纳米纤维素的提取和疏水改性、纳米纤维素-透明树脂复合材料的制备和力学性能调控、纤维素-银纳米线复合材料的制备和光电性能调控。取得的主要结果如下:(1)依据光的折射原理,选择与木材纤维素折射率匹配度和相容性都极高的透明树脂,填充去木质素木材的孔隙,制备得到了可见光透过率高于86%的木材-透明树脂复合材料。该复合材料的抗拉强度为70 MPa,抗弯强度为120 MPa,杨氏模量为3 GPa,力学性能达到了建筑采光窗的要求。进一步,选择具有红外阻隔功能的CsxWO3纳米颗粒作为添加剂,通过三元复合制备了在1500 nm近红外光透过率低至3%,导热系数仅为玻璃导热系数五分之一的木材-透明树脂-CsxW03复合材料。木材-透明树脂-CsxWO3复合材料作为采光窗并使用时,既可以有效隔绝屋内外的热量传递,同时还可以屏蔽太阳光的红外辐射,从而降低空调的使用耗能。(2)根据纤维素葡萄糖基单元上不同位置羟基的活性差异,以己酰氯为改性剂对微米级的木材纤维素进行表面改性,经二甲亚砜溶胀后制备得到了纳米的疏水性纤维素。进一步,以疏水性纤维素为原料制备了疏水性纤维素纸(水接触角为110°),解决了木材纤维素材料耐水性的问题。由于该疏水性纤维素纸具有类似木材微孔结构的连续孔道结构,可以通过先制备疏水性纤维素纸,再注入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的方法制备纳米纤维素-PMMA复合材料(纳米纤维素的质量占比可以达到50%,可见光透过率可以达到91%,抗拉强度比纯的PMMA薄膜提升了 5倍)。(3)针对木材纤维素表面含有大量羟基,容易形成氢键的特点,选择多元醇法制备的银纳米线为导电功能单元,制备了纤维素-银纳米线复合材料和纤维素-多巴胺-银纳米线复合材料。研究表明:a、纤维素-银纳米线复合材料的方块电阻为20.0Ω/sq时,于550 nm的可见光透过率为87.3%,且在200次耐弯折性能测试当中,方块电阻的变化率小于12%,是一种性能优良的透明导电材料。b、纤维素-多巴胺-银纳米线复合材料虽然不具有透明性,但对3 μm至14μm远红外线(人体可放出此波段的红外线)的反射率均高于70%,且使用电加热,仅需要0.7 V的电压,就可以将其加热到40 ℃,满足人表舒适温度(37℃)的要求,可加工成具有“人体热管理”功能的衣服。
【图文】：

逦一邋ｎ－２逡逑图１－３纤维素的结构式ＰＩ逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｆｏｒｍｕｌａ邋ｏｆ邋ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ＾２４１逡逑统计数据表明，全球每年的木材纤维素产量大约为５００亿吨，可以说纤维素逡逑是地球上最为丰富的一种天然有机材料。在环境污染、资源短缺的社会背景下，逡逑运用颠覆性的技术（例如纳米技术等），克服木材纤维素材料的天然缺陷，高效逡逑率开发木材纤维素资源，将木材纤维素应用于新材料领域以提高其附加值，具有逡逑重大的研宄意义＠１４］。逡逑１．３木基复合材料逡逑如图１－４所示，木材本身拥有可收容其它微粒（粉体）、聚合物等结构单元逡逑的固定空间（大部分源于木材生命活动留下的导管和筛管），给木材的性能提升、逡逑功能化提供了很大的发展空间１２３＿２７１。结合复合材料科学，以木材为基材来开发研逡逑制新型的高性能复合材料（木基复合材料）

重大的研宄意义＠１４］。逡逑１．３木基复合材料逡逑如图１－４所示，木材本身拥有可收容其它微粒（粉体）、聚合物等结构单元逡逑的固定空间（大部分源于木材生命活动留下的导管和筛管），给木材的性能提升、逡逑功能化提供了很大的发展空间１２３＿２７１。结合复合材料科学，以木材为基材来开发研逡逑制新型的高性能复合材料（木基复合材料），，可在木材本身优异性能的基础之上，逡逑赋予木材新的功能，并克服木材自身的缺陷（如易潮解、易霉变等）。逡逑W逡逑图１－４木材的多孔结构％逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｐｏｒｏｕｓ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｗｏｏｄ［２３】逡逑４逡逑
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】

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本文编号：2611325